通过钯催化异喹啉的官能团化实现HPK1抑制剂GNE-6893的汇聚式合成

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癌症为细胞恶性增生所致,有侵袭性,可转移。手术切除、放疗和化疗相结合是治疗癌症的基本手段。然而,这几种治疗方式都存在许多的局限性,比如达不到手术切除的条件、放射治疗和化疗药物无法选择性靶向人体患病细胞等。因此,合成特定的药物,使其选择性地靶向患病细胞成为众多医药企业的努力的方向。2018年罗氏公司公布了一项专利,他们发现3羰基氨基8氨基异喹啉化合物可以作为HPK1的抑制剂,与其它药物组合后可以增强免疫应答和治疗HPK1依赖性病症(诸如癌症)。通过对大量3‑羰基氨基‑8‑氨基异喹啉化合物的筛选,他们发现GNE-6893可以用于改善T细胞受体的信号传导以及增加细胞因子的产生,从而提高抗肿瘤免疫力。

专利报道的GNE-6893第一代合成路线(见图1)主要包括7(未将67的合成计入),总收率为2.07%,收率较低,不适合作为公斤级原料药的生成路线。作者认为该路线主要存在两个问题:
其一,实验手性呋喃醇3的合成
其二,高度官能团化的异喹啉化合物的后期修饰

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图1:GNE-6893的第一代合成路线

带着这样的想法,作者对GNE-6893进行了逆合成分析,主要包括氨基甲酸酯的形成、Buchwald-Hartwig 酰胺化反应构建C(sp2)-N键、手性呋喃醇的制备以及Suzuki-Miyaura反应构建C(sp2)-C(sp2)键。带着这样的想法,作者对第一代合成路线进行了优化,以用于实验公斤级原料药的合成。

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图 2:GNE-6893的逆合成分析

PART.1

优化手性呋喃醇合成

环氧化合物和甲基氯化镁反应可得到反式-4-甲基-3-呋喃醇(3a),随后经酯化反应可得到3b(图3。筛选277个酶后,作者发现EL012可以实现消旋化合物3b的拆分,并可以99.2%ee值和34%的分离收率得到(3S,4R)-4-甲基-3-呋喃醇(3)。相比于第一代路线,优化后的公斤级路线仅需对小分子化合物3b进行拆分,而无需对1b脱保护后、分子量较大的化合物进行拆分,优化后的路线对含异喹啉骨架的母核利用率较高,这也是汇聚式合成路线的优势之一。
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图3:(3S,4R)-4-甲基-3-呋喃醇(3)的合成

PART.2

优化C(sp2)-C(sp2)键的构建

通过对钯催化剂和配体的大量筛选,作者发现在Pd(OAc)2/(t-Bu)2PMe·HBF4的催化条件下,可以72%的分离收率得到6a,并将价格昂贵的钯催化剂的当量从0.2降到了0.03。仅在0.01当量Pd(dppf)Cl存在下,以Cs2CO3为碱,6a7可通过Suzuki-Miyaura反应得到化合物5a。由于回收率低,6a的结晶工艺无法被开发出来。为了规避6a的重结晶,作者将硼化反应和Suzuki-Miyaura反应进行了连投,然而仅有49.3%HPLC收率(图4Condition A)。反应之所以收率低,是因为6aCondition A中的第二步反应中会发生分解。鉴于,芳基卤化物的锂化-硼化和后续的Suzuki−Miyaura反应的连投已有相关报道。作者对此进行了尝试(图4Condition B),并可以两步85%的收率得到产物5a
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图4:C(sp2)-C(sp2)键的构建

PART.3

优化氨基保护

在第一代路线中,需加入分子筛除水以实验5a的进一步转化。在本文中,作者采用共沸蒸馏代替分子筛实现了5a的完全转化,并将分离收率从72%提高至89%。相比于第一代路线,操作更为简单实用。
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图5:氨基的保护

PART.4

优化Buchwald-Hartwig 酰胺化反应

通过对碱(K2CO3, K3PO4, KOAc, tBuONa)、溶剂(1,4-dioxane, toluene, t-amyl alcohol)以及催化剂(N-XantPhos Pd G3, Pd(OAc)2/DPEPhos, XantPhos Pd G3, t-BuBrettPhos Pd G3, BuBrettPhos Pd G3, RuPhos Pd G3, XPhos Pd G3, PCy3 Pd G3)的全组合筛选,由于1,4-dioxane具有致癌性,最终作者选定BrettPhos Pd G3/K2CO3/toluene的组合为最佳反应条件(图6)。在此基础上,作者通过控制变量法,对催化剂的用量、BocNH2的当量以及温度进行了优化(图7),并确定了反应的最佳条件。在该反应中,作者发现通过甲苯共沸蒸馏后的BocNH2具有更佳的反应效果(图7, entry 5 entry 7)。
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图6:胺化反应-钯催化剂和碱的优化
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图7:胺化反应-温度、催化剂和胺当量的优化

PART.5

优化2a的脱保护基步骤

在第一代路线中,水合肼被用来实现2a的脱保护。考虑到在放大过程中水合肼有较大的安全隐患,容易发生爆炸事故,作者用甲胺代替水合肼,并可以两步75%的分离收率成功得到化合物2
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图8:氨基保护基的脱除

PART.6

优化氨基甲酸酯1b合成

在第一代路线中,三光气被用来实现1b的合成。考虑到三光气具有非常强的毒性,在放大生产中存在安全隐患,作者将氨基甲酸酯的合成拆分成两步,即先生成活性较高的氨基甲酸酯1a,再与手性呋喃醇3发生酯交换实现1b的合成。首先,在第一步中,作者对偶联试剂进行了考察,发现偶联试剂为N,N'-二琥珀酰亚胺基碳酸酯(DSC)时,2的转化率和1a的HPLC收率最高(图9);随后,在保持偶联试剂为DSC的基础上,作者对第二步的酯交换反应中涉及的碱、温度、添加剂以及手性呋喃醇的当量进行了考察(图10)。当保持温度为0 oC,在加入分子筛的情况下,对不同的碱进行考察时,发现无论是在step 1 还是在step 2中, DABCO为碱时,1a1b的收率均优于DMAP, NMI和NMM,且副产物2-urea较少(图10, entry 1-8)。考虑到后续的放大,作者将分子筛控除,并升温至25 oC,对比了DABCO和NMI对反应的影响。在step 1中,以NMI为碱时效果优于DABCO,但是在step 2中,以DABCO为碱效果优于NMI(图10, entry 9-10)。当以NMI为碱时,在step 2升温至40 oC时,1b的收率可以得到明显的提高(图10, entry 11)。在图10, entry 11的条件下进行放大,经柠檬酸水溶液洗涤,环戊基甲基醚(CPME)重结晶,可以62%的分离收率得到1b
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图9:合成1a的偶联试剂的筛选
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图10:氨基甲酸酯1b的合成优化

PART.7

优化1b中两个Boc保护基的脱除

在第一代路线中,TFA/DCM被用来实现Boc保护基的脱除。不幸的是,GNE-6893中氨基甲酸酯部分在TFA/DCM的条件下会继续发生降解,得到相应的胺,从而导致反应收率较低(34%)。通过对比盐酸和硫酸的条件,以乙腈和水作为混合溶剂,作者很快确定了反应的最佳条件,并最终以94%的分离收率得到了最终的产物GNE-6893
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图11:氨基甲酸酯1b的脱保护
  •       7步总收率为33%,相较于第一代路线(总收率2.07%),总收率提高了15倍

  •      采用了汇聚式路线,将手性呋喃醇3和含异喹啉骨架的化合物2进行了分别的合成,提高了2的利用率;

  •      采用酶催化对反式呋喃醇进行拆分得到了光学纯的呋喃醇3

  •      避免了使用危险试剂,以甲胺DSC分别代替水合肼和三光气,工艺更为安全,更加符合绿色化学的标准;

  •      GNE-6893的合成中涉及到了多步钯催化的反应,作者将催化剂的当量降低到了3-5 mol%,大大节约了成本,且钯催化的反应均在路线的前几步,设计合理,大大减少了后续API中金属残留问题;

  •     在公斤级路线中,多次实现了一锅法,如step 1和step 2、step 4和step 5的连投,大大简化了实验操作。

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图12:GNE-6893公斤级生产路线


✎  参 考 文 献  


  1. 【1】Liang, J.; Mendonca, R.; Siu, M.; Tellis, J. C.; Wang, W.; Wei, B.; Chan, B.; Choo, E. F.; Drobnick, J. A.; Gazzard, L. J.; Heffron, T. 8-Aminoisoquinoline Compounds and Uses Thereof. WO 2020/ 072695 A1, April 09, 2020.

  1. 【2】Stumpf, A. Xu, D. Ranjan, R. Angelaud, R. Gosselin, Francis. A Convergent Synthesis of HPK1 Inhibitor GNE-6893 via Palladium-Catalyzed Functionalization of a Tetrasubstituted Isoquinoline. Org. Process Res. Dev. DOI: org/10.1021/acs.oprd.2c00384.

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